Tradiční a nové technologie úpravy vody

26. 2. 2013

Pod pojmem úprava vody rozumíme soubor technologických procesů, kterými se mění vlastnosti vody na úroveň požadovanou spotřebitelem. Kvalita vody musí vyhovovat především způsobu použití. Z tohoto hlediska lze vodu rozdělit na vodu pitnou, užitkovou a provozní. Všechny tyto druhy vod musí splňovat určité požadavky dané platnými normami.
Jakost upravené pitné vody závisí do značné míry na kvalitě vody ze zdroje, která se však v průběhu roku mění v závislosti na ročním období a meteorologických a hydrologických podmínkách. Proto musí být technologické zařízení úpravny uspořádáno tak, aby upravovalo vodu v požadované kvalitě za nejméně vhodných podmínek. Limitujícím faktorem pro způsob úpravy podzemních vod je zpravidla koncentrace železa, manganu a volné kyseliny uhličité. Při úpravě povrchových vod je z  technologického hlediska důležité především množství zákalotvorných a barvotvorných látek anorganického i organického původu.
Pro dosažení požadované jakosti vody se používá celá řada technologických procesů, které je možné dělit dle různých hledisek a kriterií. Nejpoužívanější dělení je na procesy fyzikální, chemické a biologické. Fyzikálními procesy se z vody odstraňují převážně suspendované látky a rozpuštěné plyny. Chemickými procesy se voda upravuje k dalšímu odstraňování nežádoucích látek a ke zdravotnímu zabezpečení vody. Biologické procesy využívají pro úpravu vody funkce některých kmenů bakterií.

Technologie úpravy vody
Technické řešení technologie úpravy vody závisí na jakosti a množství upravované vody. Příloha č. 13 vyhlášky 120/2011 Sb. uvádí ukazatele jakosti surové povrchové i podzemní vody a jejich mezní hodnoty pro jednotlivé kategorie standardních metod úpravy surové vody na pitnou. Kategorie jakosti surové vody a tomu odpovídající možné úpravy jsou následující 1:
A1 – Úprava surové vody s koncovou dezinfekcí pro odstranění sloučenin a prvků, které mohou mít vliv na její další použití a to zvláště snížení agresivity vůči materiálům rozvodného systému včetně domovních instalací (chemické nebo mechanické odkyselení), dále odstranění pachu a plynných složek provzdušňováním.
A2 – Surová voda vyžaduje jednodušší úpravu, např. koagulační filtraci, jednostupňové odželezňování, odmanganování nebo infiltraci, pomalou biologickou filtraci, úpravu v horninovém prostředí a to vše s koncovou dezinfekcí. Pro zlepšení vlastností je vhodná stabilizace vody.
A3 – Úprava surové vody vyžaduje dvou či vícestupňovou úpravu čiřením, oxidací, odželezňováním a odmanganováním s koncovou dezinfekcí popř. jejich kombinaci. Mezi další vhodné procesy se řadí např. využívání ozónu, aktivního uhlí, pomocných flokulantů, flotace. Ekonomicky náročnější postupy technicky zdůvodněné (např. sorpce na speciálních materiálech, iontová výměna, membránové postupy) se použijí mimořádně.
Pokud surová voda vykazuje vyšší koncentrace, než jsou uvedeny pro kategorii A3, pak podle § 13 odst. 2 zákona č. 274/2001 Sb. lze vodu této jakosti výjimečně odebírat pro výrobu pitné vody s udělením výjimky příslušným krajským úřadem. Pro úpravu na vodu pitnou se musí použít technologicky náročné postupy spočívající v kombinaci typů úprav uvedených pro kategorii A3, přičemž je nutné zajistit kvalitu vyráběné pitné vody podle vyhlášky č. 252/2004 Sb. Přednostním řešením v těchto případech je však eliminace příčin znečištění anebo vyhledání nového zdroje vody.
Blokové schéma úpravy vody dvoustupňovou separací při odběru vody z povrchového zdroje je znázorněno na obrázku 1.

Možnosti prvního separačního stupně
Jako první separační stupeň se nejčastěji využívají sedimentační nádrže nebo čiřiče. V úpravě pitných vod se nejvíce uplatňují obdélníkové usazovací nádrže s horizontálním průtokem, a to především proto, že mohou být spojeny s předřazenými vločkovacími nádržemi, ze kterých vločkovitá suspenze natéká přímo do usazovacích nádrží.
Kromě již jmenovaného typu usazovacích nádrží se používají i kruhové usazovací nádrže s horizontálním nebo vertikálním průtokem. Častým způsobem inovace jsou lamelové vestavby různých systémů. Jejich teorie je podrobně propracovaná již od 60. let minulého století. V pozdějším období se inovace usazovacích nádrží zaměřují na vyklízení kalu, kde se vývoj ubíral od klasických radlic přes řetězové až k plastovým dnovým shrabovákům.
Od 50. let minulého století jsou běžnou součástí vodárenských technologií čiřiče. Po stránce hydraulické rozeznáváme čtyři druhy čiřičů, a to s hydraulickým vznosem vločkového mraku, s mechanickým vznosem vločkového mraku, s cirkulací kalu a s periodicky se měnícím průtokem. Všechny tyto čiřiče pracují s vločkovým mrakem, což je vznášená vrstva vločkovitých částic, které vznikly chemickým srážením. Rozdíl je pouze v tom, že u některých čiřičů je vločkovací prostor součástí čiřiče (spolu s prostorem čiřícím a zahušťovacím), zatímco u jiných typů čiřičů (např. galeriové čiřiče) se musí vločkování provádět v předřazených nádržích. V takovém případě se inovace omezují na zlepšení hydrauliky pro lepší stabilizaci vločkového mraku. Hydraulické i procesně technologické aspekty funkce čiřičů jsou poměrně složité, proto je nutné, aby přípravě změn byla věnována dostatečná pozornost a řešení bylo svěřeno renomovanému specialistovi.
Čiřiče jsou výhodné při rekonstrukcích úpraven vod, které mají jako první separační stupeň navrženy podélné usazovací nádrže s předřazenými nádržemi vločkovacími. Tyto usazovací nádrže rozměrově odpovídají možnosti přebudování na čiřiče s kombinovaným vznosem vločkového mraku. Z jedné podélné nádrže klasické šířky 6 m se většinou budují tři až čtyři jednotky čiřičů, což přispívá k možnosti provozovat úpravnu vody ve velmi rozdílných průtočných výkonech. Vlastní jednotka čiřiče může spolehlivě pracovat v rozpětí svého výkonu od 60 do 100 % a další výrazné změny průtoku mohou být měněny vypínáním či zapínáním do provozu konkrétního počtu jednotek čiřičů. První separační stupeň by měl vždy pracovat v optimálních technologicko-hydraulických podmínkách, což je při úpravě vody chemickým srážením to nejdůležitější. Rychlofiltry, které jsou většinou používány jako druhý separační stupeň, již nejsou na těchto podmínkách tak závislé a mohou pracovat v daleko širším rozpětí výkonu celé úpravny 3.
Zhruba od šedesátých let 20. století je jako první separační stupeň v rámci dvoustupňové úpravy vody zařazována flotace, a to nejprve na úpravnách vody v Kanadě, USA, Velké Británii a v zemích Evropské unie. První realizace flotace na našem území však trvala ještě další řadu let. Až koncem roku 2005 byla v České republice uvedena do provozu první vodárenská flotace na ÚV Mostiště, kterou provozuje VAS a.s. Brno, divize Žďár nad Sázavou.
Podstatou flotace je separace tuhých nebo kapalných částic z vody, která se provádí zavedením jemných vzduchových bublin do vody. Bubliny přilnou k jednotlivým částicím, čímž vytváří aglomeráty bublina - částice s hustotou nižší než voda. Vztlaková síla takto vzniklých aglomerátů je dostatečně velká, aby způsobila stoupání částice k hladině. Částice jsou pak z hladiny odstraňovány sběrným zařízením jako plovoucí kal.
K docílení kvalitního flotačního účinku je třeba dobrá předcházející flokulace, proto kompaktní flotační jednotka se skládá ze dvou částí – flokulační (předúprava vody) a flotační. Schéma klasického uspořádání zařízení flotace je znázorněno na obr. 2.
Při úpravě surové vody na pitnou se používá výhradně tlaková flotace rozpuštěným vzduchem (dissolved air flotation – DAF), která se používá hlavně jako první separační stupeň u povrchových vod s bohatým výskytem řas, dále u vod silně zabarvených a u vod s nízkým obsahem zákalotvorných látek 4.

Oproti sedimentaci a čiření má flotace výhodu, že je účinnější pro separaci malých částic velikosti desítek µm, které prakticky nesedimentují a jsou zpravidla zachytávány až na pískových filtrech. Vyšší separační účinnost flotace se pak pozitivně projevuje na provozu následného separačního stupně. V případě filtrace je dosahováno delších filtračních cyklů a je možné pracovat s vyššími filtračními rychlostmi.
Další výhodou flotace je vysoká účinnost odstranění především CHSKMn, zákalu, barvy a velmi vysoká účinnost odstranění biologických látek. Ve světě je proto flotace navrhována i na úpravu silně eutrofizovaných vod, kde jiné separační procesy selhávají. Příklad porovnání účinnosti separace některých řas sedimentací a flotací je uveden v tabulce 1.

K výhodám flotace patří také vysoká sušina kalu, která se podle konstrukce flotace, způsobu odtahu kalu a dalších provozních požadavků pohybuje od 0,2 do 6 %. Rovněž nároky na plochu jsou menší než u klasických technologií používaných pro první separační stupeň. Z tohoto důvodu je použití flotace vhodné při rekonstrukcích úpraven vod.
Nevýhodou flotace je značná energetická náročnost vyplývající z nutného chodu dmychadel a oběhových čerpadel tzv. „bílé vody“. Tato zařízení musí být v provozu na plný výkon i při nižší potřebě výroby vody. Z potřeby kontinuálního provozu strojních zařízení pak vyplývají i zvýšené nároky na servis.
V případě návrhu flotace do technologické linky úpravy vody pro novou úpravnu i pro rekonstrukci stávajícího provozu je důležitá řádná předprojektová příprava a ověření nasazení nové technologie v poloprovozních podmínkách [4].

Druhý separační stupeň
Jako druhý separační stupeň se v současné době využívá především rychlofiltrace, která se vyvinula z filtrace pomalé. První pomalé filtry byly navrženy v roce 1829 v Anglii. Úprava vody pomalou (biologickou) filtrací je analogií čistících procesů povrchových vod v přírodě. Při pomalé filtraci je technologicky nejúčinnější horní vrstva písku v tloušťce 1 až 2 cm, tzv. biologická blána s intenzivním oživením aerobními mikroorganismy a řasami. Dosáhne-li odpor pomalého filtru maximální hodnoty, je nutno vrchní vrstvu seškrábnout a doplnit na původní výšku.
Inovační potenciál pomalých filtrů je diskutabilní. Lze jít buď cestou minimalizace ručních úkonů, nebo změnit technologii, tedy přejít na modernější a výkonnější rychlofiltry. Po stránce ploch objemů to problém nebývá, pomalé filtry stejného výkonu jsou podstatně větší než rychlofiltry. Rozhodující bývá stavební stav objektu. Při posuzování historických pomalých filtrů se doporučuje uvážlivost, neboť je to technologie, která má i v moderním vodárenství své místo a proti rychlofiltrům má výhodu ve funkci horní biologické vrstvy.
První rychlofiltry byly uvedeny do provozu v Somerville (New Jersey, USA) v roce 1885, v Evropě v úpravně vody pro město Curych (Švýcarsko) v roce 1895. Tyto rychlofiltry měly uspořádání průtoku stejné jako pomalé filtry, tj. voda protékala zatopenou vrstvou písku směrem shora dolů gravitací. Převážná většina současných konstrukcí je založena na stejném principu. Od pomalých filtrů se rychlofiltry liší vyšší filtrační rychlostí, hrubší zrnitostí náplně a menší potřebnou plochou.
Podle konstrukce rozlišujeme dvě základní varianty rychlofiltrů, a to evropské a americké. Rozšířenější jsou evropské rychlofiltry, staví se s mezidnem nebo bez mezidna a jsou prány vzduchem a vodou zpravidla zdola. Americké rychlofiltry jsou vývojově starší, bez mezidna a jsou prány shora i zdola. Základními funkčními prvky otevřeného filtru jsou filtrační nádrž, strojně technologické vybavení a zařízení pro kontrolu provozu. Jako náplň filtrů se používá nejčastěji křemičitý písek.
Co se týká inovací otevřených rychlofiltrů, tak pokud jsou nádrže v dobrém stavebním stavu, je jednoduchou inovací zavedení vícevrstvé filtrace, která zvýší kalovou kapacitu filtru a prodlouží filtrační cyklus. Vrstev může být více, ale již dvě vrstvy významně zlepší funkci filtru. V úvahu přichází rovněž zavedení jiného materiálu do filtrační náplně než je klasický křemičitý písek. Lze využít antracit, který se hodí jako horní vrstva nebo zvážit použití zrněného aktivního uhlí, které má kromě filtračního i sorpční účinek. Provoz filtru s aktivním uhlím je však výrazně dražší, neboť po poklesu sorpčního efektu je třeba náplň vyměnit, k čemuž dochází v závislosti na kvalitě filtrované vody po několika letech. Přesto je filtrace přes aktivní uhlí oblíbená, protože dokáže snížit koncentrace i těch druhů znečištění, které projdou klasickým filtrem.
Kromě nahrazení či doplnění náplní filtrů je vhodné uvažovat i o konstrukčních zlepšeních, a to směrem ke konstrukcím bez mezidna, avšak se zachováním principu používání pracího vzduchu (obvyklého u evropských filtrů), což umožňuje nižší spotřebu prací vody. V úvahu přicházejí systémy Novák, Leopold, u menších jednotek i Triton. Významnou inovací může být modernizace regenerace rychlofiltrů, tedy optimalizace délky a intenzity jednotlivých fází regenerace. Dochází pak k významným úsporám energie i množství regeneračních médií. Kvalitě filtrované vody, konstrukci filtru a charakteru jeho náplně pak musí být přizpůsobena délka a intenzita jednotlivých fází praní filtru [3].

Dezinfekce upravené vody
Dezinfekce vody neboli hygienické zabezpečení vody je naprosto nezbytnou částí technologického procesu úpravy vody. V této závěrečné fázi technologie dochází k zneškodnění a usmrcení choroboplodných zárodků, jako jsou bakterie a viry, a také k zajištění prevence před jejich výskytem v pitné vodě. Jako dezinfekční prostředky se používají chemické nebo fyzikální postupy při nasazení dezinfekčních činidel a prostředků na bázi chlóru nebo bezchlórových.
Chlorování je nejčastější způsob dezinfekce vody v ČR, ale i v zahraničí. Důvodem častého využívání chloru je jeho velká baktericidní účinnost, kterou si zachovává i v malých koncentracích. Další plus je poměrně jednoduché použití i kontrola a rovněž i silné oxidační účinky. Použití chloru v průběhu úpravy vody na pitnou je však možné jen tehdy, když surová voda neobsahuje organické látky, které tvoří s chlorem chlorované sloučeniny, v případě huminových látek trihalogenmethany. V úpravnách vody je v současné době využíván především plynný chlor, oxid chloričitý (chlordioxid) a v menších úpravnách i chlornan sodný.
Z bezchlórových variant hygienického zabezpečení pitné vody je již dobře známa ozonizace či využití UV záření. Dezinfekční účinek ozónu je větší než u chloru. Pro technické potřeby se ozón vyrábí v ozonizátorech ze vzduchu zbaveného vlhkosti nebo z kyslíku. Výhodou je, že při ozonizaci nevznikají vedlejší chlorované produkty, nevýhodou je nutnost výroby ozónu na místě použití a krátkodobý účinek v místě aplikace. Proto i tam, kde je ozón využit pro dezinfekci upravené pitné vody, musí být při jejím rozvodu vodovodní sítí zajištěna hygienizace, např. dávkováním chloru nebo ClO2 [5].
Ultrafialové záření je fyzikálním způsobem dezinfekce s nejsilnějším baktericidním účinkem při vlnové délce asi 260 nm. Účinek tohoto záření spočívá v působení na protoplazmu mikroorganizmů, kdy dochází ke změně její struktury a tím k usmrcení mikroorganizmů. Zdrojem ultrafialového záření bývají rtuťové křemenné lampy, kolem nichž v tenké vrstvě cirkuluje voda. Doba ozařování bývá poměrně krátká, řádově do několika minut. Výhodou tohoto způsobu dezinfekce je, že odpadá manipulace s chemikáliemi a kontrola jejich dávkování. Účinek dezinfekce však není trvalý, rovněž je nutno počítat s určitou životností ozařovacích lamp a s nároky na energii. První zkušební provoz s UV zářením byl u nás zahájen v roce 1999 na úpravně vody Mokošín a tento způsob dezinfekce tam funguje doposud. Dnes je UV záření využíváno i na dalších úpravnách vody v ČR.
Z nejnovějších variant dezinfekce pitné vody lze pak zmínit dezinfekci směsnými oxidanty (MIOX) a využití membránových procesů. Technologie MIOX využívá pouze sůl, vodu a elektřinu k výrobě velmi zředěného roztoku chloru elektrolýzou koncentrované solanky. Tato technologie byla plně akceptována americkou vládní společností pro ochranu životního prostředí a veřejného zdraví US Environmental Protection Agency (US EPA). U nás byla technologie schválena SZÚ a dle vyjádření Ministerstva zdravotnictví vyhovuje požadavkům vyhlášky 409/2005 Sb. pro styk technologie s pitnou vodou. V České republice není tato technologie příliš rozšířena, ale v zahraničí je již přes 2000 instalací. Více než rok jsou instalována zařízení MIOX v úpravnách vody Vysoká pec a Limnice, které zásobují vodou město Nejdek v Karlovarském kraji [6].
Nejen k dezinfekci lze využít membránových procesů, do jejichž skupiny patří mikrofiltrace, ultrafiltrace, nanofiltrace a reversní osmóza. Někdy se do této skupiny zařazuje také elektrodialýza. Membránové procesy využívají polopropustnou membránu na odstraňování nejen mikroorganismů, ale i organických a anorganických látek z vody. V tabulce 2 je uveden přehled použitelnosti jednotlivých membránových procesů a jimi dosažitelný stupeň odstranění jednotlivých druhů látek a organismů. Membrány představují absolutní bariéru pro patogenní mikroorganismy, takže se voda dezinfikuje bez použití chemických činidel a bez vzniku vedlejších produktů dezinfekce.

Závěr
Článek se věnuje tradičním i moderním technologiím úpravy surové vody na pitnou, a to především prvnímu a druhému separačnímu stupni a nezbytné dezinfekci. K inovacím však dochází i v oblasti koagulačního procesu a kalového hospodářství, ve kterém se již začíná využívat výše zmíněná flotace. Rovněž se začínají používat nové adsorpční materiály pro odstraňování železa, manganu, arsenu i jiných prvků ze zdrojů pitné vody. Příprava každé inovace v úpravě vody vyžaduje analýzu rizik a zhodnocení z hlediska systémů řízení jakosti.

Ing. Renata Biela, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí, Žižkova 17,
602 00 Brno, tel.: 54114 7732, e-mail: biela.r@fce.vutbr.cz

Použitá literatura
[1] ČR. Vyhláška 120/2011 Sb. In: Sbírka zákonů. Praha: Tiskárna Ministerstva vnitra, p.o., 6. května 2011, roč. 2011, č. 120, částka 46.
[2] BIELA, Renata; BERÁNEK, Josef. Úprava vody a balneotechnika. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2004. 164 s. ISBN: 80-214-2563-6.
[3] HLAVÁČ, Jaroslav; LÁTAL, Milan. Racionální přístup k inovacím úpraven vod. In Voda Zlín 2012. 1. Zlín: Moravská vodárenská, a.s., 2012. s. 91-96. ISBN: 978-80-260-1468-3.
[4] BIELA, Renata. Vodárenská flotace a její použití při úpravě pitné vody v ČR. TZB- info, 2012, roč. 14, č. 32, s. 1-6. ISSN: 1801- 4399.
[5] MALÝ, Josef; MALÁ, Jitka. Chemie a technologie vody. 2. doplněné vydání. Brno: Ardec s.r.o., 2006. 329 s. ISBN 80-86020-50-9.
[6] ŠOPÍKOVÁ, Lucie. Možnosti hygienického zabezpečení pitné vody. Brno, 2012. 63 s., bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí.

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Pitná voda – novinky a souvislosti … aneb What's NEW? N-nutrients; E-energy; W-water“.